Как работает трехфазный асинхронный двигатель

Содержание

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

Данная статья посвящена асинхронным двигателям, позволяющим выполнять регулировку оборотов. Рассмотрим, какими способами она может выполняться. Также изучим устройство и отличия фазного ротора от короткозамкнутого.

Асинхронный двигатель является одним из наиболее широко распространенных на современном рынке. Больше 80% от общего количества моторов на производстве, в промышленных цехах и бытовой сфере приходится на данную разновидность. Она, в свою очередь, подразделяется на короткозамкнутые и фазные типы. О втором подвиде пойдет речь в данной статье. Различия заключаются в конструктивных особенностях, принципе подключения и процессе запуска агрегата в работу.

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.

Что такое трехфазный двигатель и как он работает

В современной электротехнике из всех типов электродвигателей на переменном токе трехфазный двигатель получил наиболее широкое распространение. Такая популярность связана с его экономичностью и удобством в эксплуатации. Чтобы понять основную идею конструкции, основанной на применении трехфазного тока, и принцип работы двигателя с вращающимся магнитным полем, мы подготовили подробный материал.

В статье разобраны главные принципы работы трехфазных асинхронных двигателей, характеристики и различия в их устройстве. В качестве бонуса в статье читатель найдет видео c наглядным разбором устройства. Интересующие подробности можно уточнить в комментариях, эксперты ответят на любые ваши вопросы.

Трехфазный асинхронный двигатель

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Устройство и использование двигателей асинхронного короткозамкнутого типа

В статье рассмотрим, почему наиболее популярен именно асинхронный двигатель в исполнении с короткозамкнутым ротором. Изучим положительные и отрицательные качества конструкции. Также расскажем о распространенных поломках и способах их выявления.

Историческая справка

Первые упоминания асинхронной машины появились в 1888 году, когда Никола Тесла получил патент на схему стандартного электродвигателя. Развитие данное изобретение получило в том же году. Теоретическая статья о возможностях асинхронного двигателя была опубликована Галилео Феррарисом.

Первый трехфазный АД был запатентован в Германии российским физиком-изобретателем Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Изобретение появилось уже в 1889 году, что в сочетании с возможностью передавать электроэнергию на значительные расстояния стало знаковым периодом в истории развития электродвигателей. Еще через год тот же ученый разработал систему трансформатора, работающего на трехфазном питании.

Эти несколько лет стали решающими и привели к повсеместному применению электрических машин и промышленного оборудования. Такой подход позволил значительно ускорить большинство процессов, повысить общую эффективность работы, снизить трудозатраты.

Устройство

Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.

Устройство асинхронного электродвигателя

Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя

Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.

Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.

В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:

  • трехфазные;
  • двухфазные;
  • однофазные.

Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.

Устройство (статор и ротор асинхронных двигателей)

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и ротора. Три обмотки размещены в пазах на внутренней стороне сердечника статора асинхронного двигателя. Обмотка же ротора асинхронного двигателя не имеет электрического соединения с сетью и с обмоткой статора. Начало и концы фаз обмоток статора присоединяют к зажимам в коробке выводов по схеме звезда или треугольник.

Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора, который бывает двух типов: фазный или короткозамкнутый. Чтобы лучше понять работу трехфазного двигателя, необходимо разобраться, что такое асинхронный двигатель и принцип его действия.

Статор и ротор асинхронного двигателя

Обмотка короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя выполняется на цилиндре из медных стержней и называется “беличьей клеткой”. Торцевые концы стержней замыкают металлическими кольцами. Пакет ротора набирают из электротехнической стали. В двигателях меньшей мощности стержни заливают алюминием. Фазный ротор и статор имеют трехфазную обмотку. Фазы обмотки соединяют звездой или треугольником и ее свободные концы выводят на изолированные контактные кольца.

Где применяются

Трехфазные электродвигатели — довольно емкое понятие, включающее в себя разные виды по назначению, конструкции, и другим факторам электрических машин, делятся на три большие группы:

  • общепромышленные (в свою очередь имеют очень много различных специальных исполнений на основе стандартной модификации);
  • крановые (делятся по типу ротора: с фазным или короткозамкнутым);
  • взрывозащищенные (тоже подразделяются на два основных типа: нефтехимические и рудничные).

Асинхронный двигатель: что это

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.

Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.

Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:

  1. Корпус. Служит для скрепления всех деталей мотора. Для двигателей небольшого размера, как правило, используют цельные литые корпусы из чугуна, стальных и алюминиевых сплавов.
  2. Сердечник или магнитопроводник. Собирается из пластин, для изготовления которых применяют специальную электрическую сталь. Запрессовывается в корпус и улучшает магнитно-индукционные качества машины. Каждая пластина сердечника покрывается особым лаком, позволяющим уменьшить потери при возникновении вихревых токов. В некоторых случаях устройство асинхронного двигателя предусматривает установку корпуса-сердечника, совмещающего в себе обе функции.
  3. Обмотки. Устанавливаются в пазы сердечника. Представляет собой три катушки из меднопроволочных секций, расположенные под углом в 120˚ относительно друг друга. Называется первичной, потому что подключается к сети напрямую.

Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:

  1. Массивный ротор – единая схема из прочного ферромагнитного соединения. Внутри неё индуцируются токи, и она же выполняет в конструкции роль магнитопровода.
  2. Короткозамкнутый ротор (изобретён великим русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским, как и весь трёхфазный ток) – система соединенных с помощью колец проводников, похожая по внешнему виду на беличье колесо. Внутри него индуцируются токи, чье электромагнитное поле вступает во взаимодействие с магнитным полем статора, в результате чего ротор приводится в движение.

беличье колесо

Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Получение вращающегося магнитного поля

При наличии трехфазного тока, то есть системы трех токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на треть периода, очень легко получить вращающееся магнитное поле без механического вращения магнита и без всяких дополнительных устройств.

Вращающееся поле создается трехфазной системой токов, подводимых к обмоткам статора, которые могут быть соединены между собой либо звездой, либо треугольником. Если в такое вращающееся поле поместить металлическое кольцо (или, еще лучше, катушку), то в нем будут индуцироваться токи так же, как если бы кольцо (катушка) вращалось в неподвижном поле.

Соединение звездой и треугольником

Что такое трехфазный двигатель и как он работает

Обмотка статора асинхронного двигателя в виде трех катушек уложена в пазы, расположенные под углом в 120 градусов. Начало и конца катушек обозначаются соответственно буквами A, B, C и X, Y, Z. При подаче на катушки трехфазного напряжения в них установятся токи Ia, Ib, Ic и катушки создадут собственное переменное магнитное поле.

Ток в любой катушке положительный, когда он направлен от начала к ее концу и отрицательный при обратном направлении. Векторы намагничивающей силы совпадают с осями катушек, а их величина определяется значениями токов, направление результирующего вектора совпадает с осью катушки.

Вектор результирующей намагничивающей силы поворачивается на 120 градусов сохраняя величину совпадает с осью соответствующей катушки. Таким образом за период, результирующее магнитное поле статора совершает оборот с неизменной скоростью. Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, наводимыми в проводниках ротора.

Получение вращающегося магнитного поля

Однофазный электродвигатель с асимметричным магнитопроводом статора

Однофазный асинхронный двигатель с асимметричным магнитопроводом статора

Статор такого однофазного двигателя выполняется с ярко выраженными полюсами на не симметричном шихтованном сердечнике. Ротор – короткозамкнутый типа “беличья клетка”.

Данный электродвигатель для работы не требует использования фазосдвигающих элементов. Недостатком данного двигателя является низкий КПД.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Подключение к однофазной сети через конденсатор

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети невозможно в чистом виде, без изменения схемы питания. Дело в том, что для создания вращающегося магнитного потока необходимо наличие как минимум двух обмоток со сдвигом по фазе, за счет которого и создает относительное движение статора. Если мотор подключить к бытовой однофазной сети напрямую, подав питание на одну из обмоток статора, он не будет работать. Это связано с тем, что одна работающая фаза создает пульсирующее поле, которое может обеспечивать движение вращающегося ротора, но не способно запустить его.

Для решения этой проблемы в двигателе размещается дополнительная обмотка под углом в 90˚ относительно основной, в цепь которой последовательно включен фазосмещающий элемент. В этом качестве могут выступать резисторы, индукционные катушки и другие устройства, однако лучшую эффективность показало применение конденсаторов.

Дополнительная обмотка, создаваемая с помощью конденсаторов, чаще всего выступает в роли пускателя двигателя, поэтому её называют пусковой. По достижении определенной температуры и скорости вращения вала срабатывает переключатель, размыкающий цепь. После этого работа двигателя обеспечивает взаимодействием между ротором и пульсирующим полем рабочей обмотки, как уже было описано выше.

Для обеспечения максимальной эффективности работы необходимо использование конденсаторов, чья ёмкость подходит под сетевые показатели. Кроме того, нередко в таких двигателях используется магнитный пускатель или реле тока для автоматического управления рабочим процессом. В видео ниже, будет и про магнитный пускатель.

Функциональные особенности подключения асинхронного двигателя с одним конденсатором отличаются хорошими пусковыми характеристиками, но сравнительно небольшой мощностью. Поскольку частота бытовой сети с напряжением 220 В составляет 50 Гц, такие моторы не могут вращаться со скоростью более 3000 об/мин. Это сокращает сферу их использования до бытовых приборов: пылесосов, холодильников, триммеров, блендеров и т.д.

Очень настоятельно рекомендуем посмотреть два видео ролика в этом разделе (одно сверху, другое снизу), т.к. наглядное пособие, может быть крайне полезным.

Конструктивные особенности

Основными элементами электродвигателя любого назначения являются статор и ротор. Для защиты от контактов с окружающими объектами система с обмотками закрывается в прочный кожух. Предотвратить перегрев обмоток позволяет дополнение в виде установленного на роторном валу охлаждающего вентилятора.

Статор асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором имеет стандартное для электродвигателей строение. Исполнение, рассчитанное на работы с обмотками на три фазы, подразумевает расположение сердечников под углом в 120 о . Обмотки выполняют из медной проволоки подходящего сечения, изолированной. Подключение обмоток производится в звезду или треугольник (оно описано в отдельных статьях). Статорный магнитопровод жестко фиксируют к стенкам корпуса.

Роторная часть имеет внешний вид, похожий на небольшую цилиндрическую клетку. Парные кольца исполняют роль короткозамыкающего элемента для стержней, изготовленных из алюминия. Если рассматривать конструкцию высокой мощности, для нее стержневые части конструкции могут изготавливаться из меди. Причиной использования данного материала служит его низкое сопротивление. Однако есть и минусы – медь для обмотки стоит дороже алюминия и быстрее плавится при нагреве сердечника вихревыми токами.

Расположение стержней при сборке выполняется поверх сердечников из специальной трансформаторной стали. Монтаж производят на валу агрегата, провод обмотки впрессовывается в специальные пазы магнитопровода. Простота изготовления повышается тем, что в таком исполнении для магнитопроводных пластин не требуется изоляция. Это – один из главных факторов, сделавших асинхронный агрегат короткозамкнутого типа самым популярным (его доля в общей массе электромоторов достигает 90%).

Устройство АД фазного типа

Как и любой асинхронный двигатель, фазные модели состоят из 2 основных частей – недвижимого статора и подвижного ротора. Первый элемент составлен из шихтованного магнитопровода, который впрессовывают в литой корпус из металла. По его внутренней поверхности идут пазы, в которые укладываются обмотки. Эти провода составляют поверхности многовитковых катушек, формирующих трехфазную обмотку статора. Относительно друг друга обмотки смещены на 120 о .

При подключении контакты обмоток могут соединяться двумя способами – «звездой» и «треугольником». Выбор определенного типа зависит от указанного в технической документации напряжения сети, в которую подключается двигатель. Если модель потребляет 380В применяется звездообразное подключение. Если же напряжение стандартное для централизованных сетей – 220В, используется «треугольник». Вне зависимости от сделанного выбора фазное напряжение будет неизменно. Оно составляет 220В.

Наиболее широко применяется в промышленности и бытовой технике короткозамкнутый ротор, называемый также «беличьей клеткой». Однако при необходимости сборки агрегата высокой мощности или для улучшения пусковых условий, получения возможности регулировать его работу, применяют фазную разновидность. Ее особенность в том, что ротор также оснащается трехфазными обмотками, схожими со статорными. Смещение относительно соседних элементов составляет 120 о .

Соединение фаз производится в «звезду», после чего концевые выводы обмоток подключаются к контактным кольцам (изготавливаются из латуни или стали), насаженным на вал. При этом кольцевые элементы изолированы, как друг от друга, так и от вала. Контакт с ними поддерживают только скользящие щетки из металлографита. Они дают возможность включать в цепь подачи питания обмоток регулировочные реостаты.

Отличие от синхронного двигателя

Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.

Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:

где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n1 – частота, с которой вращается поле статора, n2 – частота, с которой вращается ротор.

Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.

На практике существует огромное количество разновидностей асинхронных электродвигателей, отличающихся как сферой применения, так и мощностью согласно ГОСТ 12139-84 . В связи с тем, что все вариации перечислить невозможно, мы рассмотрим наиболее значимые критерии, по которым асинхронные аппараты разделяются на виды.

По количеству питающих фаз выделяют:

  • трехфазные – используются в сетях, где есть возможность подключиться сразу ко всем фазам, но в частных случаях могут запускаться и в однофазной сети;
  • двухфазные – применяются во многих бытовых приборах, состоят из двух рабочих обмоток, одна из которых питается напряжением сети, а вторая подключается через фазосдвигающий конденсатор.
  • однофазные – как и предыдущая модель содержат две обмотки, одна из которых рабочая, а вторая пусковая.

По типу ротора различают:

  • с короткозамкнутым ротором – имеет тяжелый пуск, но и меньшую стоимость;
  • с фазным ротором – на роторе устанавливается вспомогательная обмотка, делающая работу электродвигателя более плавной.

По способу подачи питания:

  • статорные – классические модели, в которых рабочие обмотки устанавливают на статор;
  • роторные – рабочие обмотки помещаются на вращающемся элементе, широкое применение на практике получили асинхронные двигатели Шраге-Рихтера.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска 1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления 2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется 3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени 4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации 5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

Подключение без конденсатора

Для подключения асинхронного двигателя в однофазную сеть без использования конденсаторов существуют две популярные схемы. Для обеспечения работы двигателя берутся синисторы с разнополярными импульсами управления и симметричный динистор.

Первая схема предназначена для электродвигателей с величиной номинального вращения от 1500 об/мин. В качестве фазосмещающего элемента выступает специальная цепочка. Схема соединения обмоток статора – треугольник.

Необходимо создать сдвинутое напряжение на конденсаторе путем изменения сопротивления. После того, как напряжение конденсатора достигнет нужного уровня, динистор переключится и включит заряженный конденсатор в схему запуска.

Вторая схема подходит для электродвигателей с большим пусковым сопротивлением или номинальной скоростью вращения от 3000 об/мин.

Очевидно, в данной ситуации необходимо создать сильный пусковой момент. Именно по этой причине в машинах этого типа для подключения статорных обмоток используется треугольник. Вместо фазосдвигающих конденсаторов в этой схеме применяются электронные ключи. Первый из них последовательно включается в цепь рабочей фазы, а второй – параллельно. В результате этой хитрости создается опережающий сдвиг тока. Однако данный способ эффективен только для двигателей 120˚ электрическим смещением.

Трехфазный электромотор можно подключить с помощью тиристорного ключа. Это, пожалуй, самый простой и эффективный способ подключения асинхронного двигателя в однофазную сеть без конденсаторов. Принцип его действия таков: ключ остается закрытым во время максимального сопротивления. Благодаря этому создается наибольший фазовый сдвиг и, соответственно, пусковой момент. По мере ускорения вала сопротивление снижается до оптимального уровня, сохраняющего сдвиг по фазе в пределах значения, обеспечивающего работу двигателя.

При наличии тиристорного ключа можно и вовсе отказаться от конденсаторов – он демонстрирует лучшие рабочие и пусковые характеристики даже для двигателей мощностью более 2 кВт.

Разновидности по количеству фаз

В зависимости от исполнения и способа подключения конструкции для короткозамкнутого вида делят на 3 типа, каждый из которых имеет свои особенности:

  1. Однофазные. Применяется единственная рабочая обмотка. Запуск производится посредством катушки индуктивности, на короткий период подключаемой к сети через конденсатор. Также возможен вариант короткого замыкания. Конструкция рассчитана на малую мощность, и широко применяется в бытовых приборах.
  2. Двухфазные. Статорная конструкция использует 2 обмотки, расположенные перпендикулярно относительно друг друга. Подача переменного напряжения при этом производится на каждую из них. Основное направление применения – однофазные сети. Для корректной работы в таких условиях напрямую к фазе подключается только одна из обмоток. Вторая запитывается посредством фазосдвигающего конденсатора. Данный элемент является обязательным, поскольку без его добавления в схему вращение вала не начнется. В силу такой особенности двухфазные асинхронные двигатели иногда называют конденсаторными.
  3. Трехфазные. Конструкция подразумевает 3 обмотки. Могут производиться с разными системами пуска, однако в любой конструкции отличаются повышенной стабильностью работы при номинальной нагрузке. Имеют самые высокие пусковые характеристики.

Количество и расположение обмоток выбирают в зависимости от типа сети и уровня нагрузок, которые придутся на мотор.

Технические соответствия

По стандартам, установленным ГОСТ, АД с фазным ротором должен быть приведен в соответствие определенным параметрам для работы в конкретных условиях. Список требований включает:

  • габаритные показатели и мощность;
  • уровень защиты, соответствующий эксплуатационным условиям (наружная установка и внутри помещения);
  • повышенная термостойкость изолирующего материала;
  • режимы функционирования;
  • охлаждающая система, собранная в соответствии с характеристиками силового агрегата;
  • уровень шума, на холостом ходу не превышающий 2 класс.

Также АД должен быть собран в соответствии определенным климатическим условиям, в которых планируется его использовать. Отдельные модели рассчитаны на конкретный климат. Если для умеренных широт можно использовать большинство современных двигателей, то для территорий с повышенной или пониженной температурой необходимо применять строго соответствующую технику. В противном случае могут значительно снизиться эксплуатационные характеристики, работа станет нестабильной, возможен выход из строя.

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:

  • прямой – напряжение на электродвигатель подается через пускатели или контакторы;
  • переключение схемы соединения обмоток электродвигателя со звезды на треугольник;
  • понижение напряжения;
  • плавный пуск;
  • изменение частоты питающего напряжения.

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

  • С расщеплением полюсов – используется в электродвигателях особой конструкции, но недостатком методы является постоянная потеря мощности.
  • С конденсаторным пуском – вводит пусковой конденсатор в момент запуска асинхронного двигателя и убирает его со схемы через несколько секунд после начала работы. Обладает максимальным вращательным моментом.
  • С резисторным пуском электродвигателя – обеспечивает начальный сдвиг между векторами ЭДС обмоток для скольжения в асинхронной машине.

Трехфазного асинхронного двигателя.

Способы пуска трехфазного электродвигателя

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

  • Напрямую в цепь через пускатель или контактор, что обеспечивает простоту процесса, но формирует максимальные токи. Этот способ не подходит в случае больших механических нагрузок на вал.
  • Переключением схемы со звезды на треугольник – применяется для снижения токов в обмотках электродвигателя за счет уменьшения питающего напряжения с линейного на фазное.
  • Путем подключения через преобразователь напряжения, реостаты или автотрансформатор для снижения разности потенциалов. Также используется изменение числа пар полюсов, частоты питающего напряжения и прочие.

Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.

Прямая схема без возможности реверсирования

Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования

Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.

Схема прямого включения с реверсом

Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом

Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.

Изменение частоты вращения ротора

Параллельные обмотки двух фаз образуют одну пару полюсов сдвинутые в пространстве на 120 градусов. Последовательное соединение обмоток образует две пары полюсов, что дает возможность уменьшить скорость вращения в два раза. Для регулирования скорости вращения ротора изменением частоты тока используют отдельный источник тока или преобразователь энергии с регулируемой частотой, выполненный на тиристорах.

Двигатель развивает в момент пуска довольно значительный вращающий момент, и так как инерция его сравнительно невелика, то частота вращения ротора быстро нарастает и почти сравнивается с частотой вращения поля, так что относительная частота их становится почти равной нулю и ток в роторе быстро спадает.

Для двигателей малой и средней мощности кратковременная перегрузка их при пуске не представляет опасности, при запуске же очень мощных двигателей (десятки и сотни киловатт) применяются специальные пусковые реостаты, ослабляющие ток в обмотке; по мере достижения нормальной частоты вращения ротора эти реостаты постепенно выключают.

По мере того, как возрастает нагрузка двигателя, частота вращения ротора несколько уменьшается, частота вращения поля относительно ротора возрастает, и вместе с тем растут ток в роторе и развиваемый двигателем вращающий момент.

Однако для изменения мощности двигателя от нуля до нормального значения требуется очень небольшое изменение частоты вращения ротора, примерно до 6 % от максимального значения. Таким образом, асинхронный трехфазный двигатель сохраняет почти постоянную частоту вращения ротора при очень широких колебаниях нагрузки.

Регулировать эту частоту в принципе возможно, но соответствующие устройства сложны и неэкономичны и потому на практике применяются очень редко. Если машины, приводимые в действие двигателем, требуют иной частоты вращения, чем этот двигатель дает, то предпочитают применять зубчатые или ременные передачи с различными передаточными числами.

Основные технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.

В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:

Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).

Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.

КПД от 66% до 83%.

Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.

Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.

Реверс электродвигателя в однофазной сети

При подключении асинхронного двигателя в сеть с однофазным током управлять реверсом (обратным вращением) ротора можно с помощью третьей обмотки. Для этого необходим тумблер или аналогичный двухпозиционный переключатель. Сначала с ним через конденсатор соединяется третья обмотка. Два контакта тумблера подключаются к двум другим обмоткам. Такая простая схема позволит управлять направлением вращения, переводя переключатель в нужное положение.

Способы торможения двигателей

При торможении противовключением меняются два провода соединяющих трехфазную сеть с обмотками статора, изменяя при этом направление движения магнитного поля машины. При этом наступает режим электромагнитного тормоза. Для динамического торможения обмотка статора отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного тока. Неподвижное поле статора заставляет ротор быстро останавливаться.

Для лучшего понимания механизмов торможения двигателей рекомендуем также подробнее прочитать все что нужно знать о шаговых электродвигателях.

После отключения от сети электродвигатель продолжает движение по инерции. При этом кинетическая энергия расходуется на преодоление всех видов сопротивлений движению. Поэтому скорость электродвигателя через промежуток времени, в течение которого будет израсходована вся кинетическая энергия, становится равной нулю.

Такая остановка электродвигателя при движении по инерции называется свободным выбегом. Многие электродвигатели, работающие в продолжительном режиме или со значительными нагрузками, останавливают путем свободного выбега.

Реле контроля напряжения фаз

Что такое трехфазный двигатель и как он работает

Более грубой и универсальной защитой, обязательной по правилам эксплуатации и обычно достаточной при правильно подобранных параметрах, является установка трёхфазных автоматических выключателей (по одному на двигатель), которые отключают питание в случае длительного (до несколько минут) превышения номинального тока по любой из фаз, что является следствием перегрузки двигателя, перекоса или обрыва фаз.

Подключение к трехфазной сети двигателя с короткозамкнутым ротором

Самыми эффективными и часто используемыми способами подключения асинхронного двигателя к трехфазной сети являются так называемые звезда и треугольник.

В конструкции двигателя с короткозамкнутым ротором есть всего шесть контактов обмоток – по три на каждой. Для того чтобы подключить асинхронный двигатель звездой необходимо соединить концы обмоток в одном месте, подобно лучам звезды. Примечательно, что в такой схеме напряжение у начал обмоток составляет 380 В, а на участке цепи, пролегающем между их соединением и местом подключения фаз – 220 В. Возможность включения двигателя данным методом указывается на его бирке символом Y.

Главное достоинство этой схемы в том, что она предотвращает возникновение перегрузок по току на электродвигателе при условии использования четырехполюсного автомата. Машина запускает плавно, без рывков. Недостаток схемы в том, что пониженное напряжение на каждой из обмоток не дает двигателю развивать максимальную мощность.

схема подключения звезда

Если электродвигатель с короткозамкнутым ротором был подключен по схеме звезда, это можно заметить по общей перемычке на концах обмоток.

Асинхронный двигатель, звезда в сборе

Для обеспечения предельной рабочей мощности трехфазного электродвигателя его подключают к сети треугольником. В этой схеме обмотки статора соединяются друг с другом по принципу конец-начало. При питании от трехфазной сети нет необходимости в соединении с рабочим нулем. Напряжение на участках цепи между выводами будет равняться 380 В. На табличке двигателя, подходящего для подключения треугольников, изображается символ ∆. Иногда производитель даже указывает номинальную мощность при использовании той или иной схемы.

схема подключения "треугольник"

Главный недостаток треугольника – пусковые токи слишком большой величины, которые иногда перегружают проводку и выводят её из строя. В качестве оптимального решения изредка создают комбинированную схему, в которой запуск и набор скорости происходит при «звезде», а затем обмотки переключают на «треугольник».

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Схемы подключения

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.

Схемы подключения

Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».

Треугольник

Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).

схема подключения "треугольник"

В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.

Звезда

Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.

схема подключения "звезда"

Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.

Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).

Асинхронный двигатель, треугольник в сборе

Асинхронный двигатель, звезда в сборе

В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.

Показатель скольжения

При работе асинхронного агрегата появляется коэффициент скольжения, который характеризует разницу в угловых скоростях ротора и магнитного поля. Его значение определяет режим работы двигателя. На холостом ходу этот показатель стремится к 0, поскольку роторная часть, а также статорное поле выполняют вращение в одном и том же направлении с равной частотой. ЭДС в таком случае не индуктируется, ток на обмотках и электромагнитный момент равен 0. При запуске, когда ротор еще неподвижен, коэффициент скольжения равен 1.

Когда ротор вступает в работу, его скорость вращения превышает частоту магнитного поля. В таком случае скольжение становится отрицательным. Силовая установка работает в режиме генератора, развивая тормозной момент. Данный момент развивается также и при превышении скольжением единицы. Двигатель в таком случае переходит в режим противовключения. Таким образом, в зависимости от скольжения различают 3 активных режима:

  • двигательный (от 1 до 0);
  • генераторный (от 0 до отрицательной бесконечности);
  • противовключение (от 1 до положительной бесконечности).

Последние два режима применяются при торможении двигателя.

Преимущества и недостатки

К преимуществам асинхронных электродвигателей, в сравнении с другими типами электрических машин следует отнести:

  • Относительно меньшая стоимость, в сравнении с другими типами электродвигателей, за счет простоты конструкции;
  • Высокая степень надежности, благодаря отсутствию вспомогательных элементов редко выходят со строя;
  • Способны выносить кратковременные перегрузки;
  • Могут включаться в цепь напрямую без использования дополнительного оборудования;
  • Низкие затраты на содержание в ходе эксплуатации.

Основными недостатками асинхронного электродвигателя являются относительно большие пусковые токи и слабый пусковой момент, что в определенной степени ограничивает сферу прямого включения. Также асинхронные электродвигатели обладают низким коэффициентом мощности и сильно зависят от параметров питающего напряжения.

Функциональные и эксплуатационные особенности

Характерные преимущества асинхронных двигателей:

  • В их конструкции нет коллекторных групп, которые увеличивают износ других видов двигателей за счет дополнительного трения.
  • Питание асинхронных электрических машин не требует использования преобразователей и может осуществляться промышленной трехфазной сети.
  • Из-за меньшего количества деталей и конструктивных элементов они относительно легко обслуживаются и имеют большой срок службы.

Среди недостатков можно отметить:

  • Сфера применения асинхронных двигателей несколько ограничена из-за малого пускового момента.
  • Высокая реактивная мощность, которую они потребляют во время работы, не оказывает влияние на механическую мощность.
  • Большие пусковые токи, потребляемые на пуске этих двигателей, могут превышать допустимые значения некоторых систем.

Управление частотой вращения

Есть несколько способов регулировки частоты вращения АД и смены рабочих режимов:

  1. Частотный. Управление выполняется через смену частоты тока в питающей сети. В качестве управляющего органа применяется частотный преобразователь.
  2. Реостат. Реализуется включением в схему дополнительных переменных сопротивлений. Позволяет повысить пусковой момент и критическое скольжение. Регулировка момента осуществляется изменением сопротивления.
  3. Импульсный. В основе лежит подача на мотор особого напряжения.
  4. «Звезда-треугольник». В таком варианте запуск и набор оборотов производится при одной схеме подключения, а после выхода на номинальные обороты производится автоматическое переключение на другую. Позволяет снизить пусковые токи.
  5. Индуктивное сопротивление. Актуально исключительно для фазного ротора. Производит регулировку изменением сопротивления.

По мере развития технологий совершенствуются уже имеющиеся способы управления и появляются новые, более точные и эффективные. Это позволяет повысить общий КПД машин.

Преимущества и недостатки короткозамкнутой разновидности

Высокая популярность и широкое распространение таких конструкций электродвигателя обусловлено его преимуществами:

  • высокая стабильность работы при номинальной нагрузке;
  • надежность и долговечность;
  • простое обслуживание асинхронного мотора, низкие затраты на эксплуатацию;
  • малая стоимость относительно других моделей;
  • высокие показатели КПД двигателя.

При правильной эксплуатации такой агрегат прослужит долгое время, не требуя частого обслуживания.

Однако есть у системы и свои недостатки:

  • высокий пусковой уровень напряжения;
  • низкий коэффициент скольжения;
  • повышенная реакция на перепады напряжения;
  • необходимость применения дополнительного оборудования для безопасного пуска асинхронного агрегата (УПП, частотники);
  • потребность во внешних управляющих узлах для регулировки скорости вращения.

Несмотря на свои недостатки, агрегаты асинхронного типа с короткозамкнутым ротором являются наиболее практичными и популярными в производстве и быту.

Как производятся расчеты

Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:

формула скольжения

И выразить из нее скорость вращения ротора:

скорость вращения ротора

В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.

При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:

скорость вращения

Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:

 величина скольжения электродвигателя составляет

И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.

Применение

Простота конструкции, а также высокая продолжительность эксплуатационного периода сделали фазные асинхронники лидерами в сфере электродвигателей. Они широко применяются в самых разнообразных областях производства и человеческой жизнедеятельности. Такие агрегаты можно встретить в:

  • устройствах автоматики и телемеханических системах;
  • бытовой технике;
  • медицинском оборудовании повышенной надежности;
  • аудиозаписывающей технике.

Периодического обслуживания в такой системе требуют только подшипники. В остальном же машина способна служить десятилетиями. Достаточно для этого соблюдать климатические требования, оптимальную окружающую среду. Также важно следить за условиями эксплуатации – оптимальной нагрузке и номинальными режимами работы.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий